宁波首篇《science》论文!万里学院破半世纪无解之谜

2018/5/13 16:00:45   点击数:94

近日,浙江万里学院钱国英、葛楚天教授团队与美国杜克大学Blanche Capel教授团队合作,在龟鳖动物性别决定研究领域取得重要进展。

5月11日,该研究成果以 “The histone demethylase KDM6B regulates temperature- dependent sex determination in a turtle species” (组蛋白去甲基化酶KDM6B调控一种龟的温度依赖型性别决定)为题,发表在国际顶级学术期刊《Science》(《科学》)上。

葛楚天教授为该论文的第一作者兼通讯作者,叶键高级工程师为并列第一作者,钱国英教授和Blanche Capel教授为共同通讯作者,浙江万里学院为论文第一作者和通讯作者单位。这是宁波地区首次在《Science》期刊上发表研究论文,是一次历史性的突破。

左起:蔡城,孙伟,葛楚天,周英杰,张瑜。

半世纪的无解之谜——TSD

温度依赖型性别决定(temperature-dependent sex determination,TSD),是一种奇特的表型可塑性现象,其特征是动物缺乏性染色体,性别完全取决于胚胎发育的环境温度,常见于爬行动物(如龟)。自1966年Charnier发现TSD现象以来,其分子机理一直是未解之谜。

Science论文中的研究对象红耳龟。Trachemys scripta,俗称“巴西龟” 图片来源:BioArt

TSD 机制解析

TSD机制的解析主要在于解答两个科学问题:

哪个(些)基因启动未分化性腺向睾丸或卵巢分化?

温度如何调控这些基因的表达?

该团队前期通过新建立的基因功能研究方法,鉴定了一个启动中华鳖和红耳龟雄性性腺分化的关键基因Dmrt1(Development,2017;Scientific Reports,2017)。因此,破译TSD分子机制的关键在于解析温度通过何种机制激活或抑制性腺分化启动基因的表达。

揭开 TSD 神秘的面纱

表观调控机制,包括组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA,能将环境因素和基因表达联系起来,而TSD动物雌雄个体基因组DNA序列完全一致,性别性状却差异显著,因此表观遗传很可能参与调控TSD。

钱国英、葛楚天教授团队发现,组蛋白H3第27位赖氨酸(H3K27)去甲基化酶KDM6B在红耳龟未分化性腺中呈现温度依赖型二态性表达分布,并且温度置换实验显示,在性腺分化前,Kdm6b能快速响应温度变化。令人惊奇的是,他们通过RNA干扰将产雄温度(male-producing temperature,MPT)胚胎Kdm6b敲低后发现,80-87%的MPT胚胎出现雄性向雌性性逆转。他们还发现,KDM6B通过消除启动子区H3K27三甲基化标记,直接促进红耳龟雄性性别决定基因Dmrt1的表达。并且,Dmrt1的过表达能够恢复由Kdm6b缺陷引起的性逆转。该项研究阐明了Kdm6b在红耳龟TSD中的生物学功能及其作用机制,为“表观遗传机制调控TSD”假说提供了首个直接的遗传证据,继而为进一步破译TSD机制奠定基础。


KDM6B调控温度依赖型性别决定的作用示意图。

专家点评

朱冰(中科院生物物理所研究员,国家“杰青”)

这首先是一项非常有趣的研究工作。我阅读本文时最欣赏的是这一工作清晰的研究逻辑性。作者从组学分析寻找候选基因开始,通过候选基因的表型验证、候选基因的作用靶点探究、以及作用靶点与候选基因间的遗传互作。一层一层抽丝剥茧,发现并详尽地证明了KDM6B在响应温度变化、参与性别决定过程中的重要作用。

最后,我想说这是又一个表观遗传因子(KDM6B)与序列专一性转录因子(DMRT1)协调作用,共同参与细胞命运决定的重要例证。

蓝斐(复旦大学生物医学研究院教授,国家“青年千人”)

这项研究意义重大,不仅阐明了组蛋白H3K27甲基化的动态调控对于爬行类性别决定的分子机理,还为环境因素通过表观遗传通路控制基因组的表型提供了一个重要证据。